|
Ранняя атмосфера Земли почти не содержала кислорода. Предположительно, в то время она состояла из газов метана и аммиака, меньшего количества сероводорода, водяного пара, азота и водорода, а также окиси и двуокиси углерода. Считается общепризнанным, что первичная атмосфера сформировалась в результате дегазации мантии и носила восстановительный характер. В пользу этого свидетельствует изучение ее потенциальных источников — вулканические газы, состав других небесных тел. Однако с расцветом ряда форм жизни составные части наземно-воздушной среды в целом заметно преобразились. Исходя из совокупности фактов, столь бережно хранимые в ней существа, произошли несколько миллиардов лет назад от первобытной клетки (об этом явно свидетельствует их «фамильное сходство»). Удивительно компактная и покрытая тонкой оболочкой структура положила начало процессу клеточного деления, который, за прошедшее с тех пор время, создал зеленый покров Земли, изменил состав ее атмосферы и сделал ее родиной разумной жизни.
Мир живых существ претерпевал время от времени достаточно значительные изменения (ответвления и параллельные пути). Но и сама поверхность планеты обновлялась, иногда даже драматически. Земная кора, как известно, состоит из нескольких тектонических плит, находящихся в постоянном движении. Вследствие этого география континентов полностью или фрагментарно изменялась и была уникальна в каждый геологический период из-за так называемого континентального дрейфа. Самым таинственным из этих периодов является огромный промежуток времени, который называется докембрием (это вся история Земли до кембрийского периода, начавшегося около 570 миллионов лет тому назад). Пожалуй, многие доклеточные формы успешно дебютировали именно тогда.
Непосредственно разновидностям органических структур нужны: водород, азот, кислород, фосфор, галогены, сера, некоторые металлы и углерод — своеобразный «клей», скрепляющий их вместе в большие и сложные молекулы. Из этих довольно распространенных во Вселенной элементов и состоит почти вся живая материя. Сложноустроенным ее образованиям необходима также вода — жидкая среда, в которой атомы и молекулы могут вступать в химические реакции. Первые известные нам типы живого, найденные палеонтологами, появились почти 3,5 миллиарда лет назад, когда планета была еще совсем юной. В черных сланцах Западной Австралии сохранились остатки некоторых существ из ряда самых примитивных форм белковой жизни. Эти организмы напоминают современные цианобактерии. Они обитали на дне моря, защищенные от ультрафиолетового излучения слоем воды и слизи, потребляли углекислый газ и производили кислород, так же как это делают современные виды.
Бактериальная микрофлора достаточно распространенная группа среди относительно единообразных линий из клеточных структур. Обычно это сферические или удлиненные клетки размером в несколько микрометров. В природе бактерии занимают невообразимое множество экологических ниш, и столь же многообразным оказывается их биохимическое строение. Именно бактерии насыщают почву азотом, повышая ее плодородие, образуют и саму почву. Существующие в живой природе виды бактерий способны питаться практически любыми органическими молекулами и даже синтезировать органические вещества из неорганических. Они же освещают мрачную бездну океана призрачным сиянием живых огней. Несмотря на относительно простое строение, бактерии живут на Земле дольше ряда других сложных образований и превосходят по численности все прочие типы клеточных организмов.
Одноклеточные существа обычно не умирают естественной смертью и зависимы преимущественно только от среды обитания. При размножении они просто-напросто делятся пополам и продолжают свою жизнь в удвоенном числе. Смерть — это своеобразная расплата за усложнение биологической системы: когда организм становится многоклеточным, то в него как бы встраивается механизм самоуничтожения. Ну а привилегия бессмертной жизни дарована лишь половым клеткам — они и продолжают род в череде своих потомков (эти существа появляются на свет из оплодотворенной яйцеклетки). Остальные же клетки сделались соматическими, то есть бесполым телом колонии, и однажды умирают. Так биологическая смерть стала закономерным и неизбежным финалом жизни подобных организмов. До этого была простая случайность…
Связанные в единое целое миллиарды клеток образуют живую ткань организма. Каждая из них — довольно сложная ультраструктура. Внутри заполненной цитоплазмой оболочки расположены ядерный материал и клеточные включения (деление этого пространства на отсеки важная черта в клеточном строении). Образование набора элементов и движение во внутренней среде регулируются особыми функциями, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом. Работа веществ основана на трех ключевых молекулах: ДНК, РНК и белках. ДНК и РНК — это последовательность нуклеотидов, а белки — это цепь аминокислот. ДНК хранит наследственную информацию, белки же осуществляют химические реакции по программе, заложенной в ДНК. Информацию от ДНК к белкам передает РНК, где ДНК нужна для продолжительного хранения информации, а РНК как временный носитель. За наследственные признаки у каждого вида животных и растений отвечают гены (часть молекулы ДНК необходимая для синтеза одного белка). У человека, в одной клетке, их не менее ста тысяч, соединенных в длинные нити (при этом каждый из нас генетически индивидуален). Если выстроить в линию все молекулы ДНК, заключенные лишь в одной клетке человека, то получится нить длиной около 2 метров. Та длиннющая молекула, навивается как нитка на катушку, из специальных белков и это ожерелье не вытянуто в одну линию, а необычайно компактно уложено в особые тельца, называемые хромосомами. Этим хитрым способом клетка умудряется проделать трюк, который по силам лишь искусному магу: вместить полимерный клубок в ядро, диаметр которого меньше микрометра. Хромосомы, таким образом, являются в живой ткани хранилищем для востребованного в данном типе клеток набора генов и образуются во время многофазного процесса деления клетки.
В живом мире наибольшие различия существуют не между растениями, грибами и животными, а между клеточными структурами, обладающими ядром (эукариоты) и не имеющими его (прокариоты), к последним относят такие низшие организмы как бактерии. Все эти одноклеточные и многоклеточные организмы сходны между собой и имеют общий план строения своих клеток. Различие между прокариотами и эукариотами заключается еще и в том, что первые могут жить как в бескислородной среде (анаэробы), так и в среде с разным содержанием кислорода (аэробы), в то время как для эукариотов, за немногими исключениями, обязателен кислород. Сравнение прокариот и эукариот по потребности в кислороде приводит к заключению, что прокариоты возникли в период, когда содержание кислорода в среде изменилось (ранее организмы были приспособлены к иным газам, например метану). Ко времени же появления эукариот концентрация кислорода была высокой и относительно постоянной. Простейшие прокариотические клетки так и остались в тысячи раз меньше эукариотических, а их генетический материал значительно меньше более совершенных эукариот. Видимо поэтому настоящие многоклеточные организмы образуют только эукариотические клетки, обладающие единообразным геномом (программой создания новых клеток и даже — новых животных или растений, в виде специального химического кода хранимой в ДНК).
Открытие материальной природы гена отразило в себе единство органического мира. Молекулы ДНК и РНК оказались тем веществом, в котором записана так необходимая всем генетическая информация, поэтому каждая разновидность образованных форм обладает своим, немного измененным геномом. Универсальные «кирпичики», из которых состоят белки — это всего лишь 20 аминокислот, а молекулы ДНК и РНК построены только из четырех типов нуклеотидов, из них природа и создает все свое бесконечное разнообразие жизни. Остается лишь гадать, почему именно эти наборы мономеров, а не другие со схожими химическими свойствами, были отобраны для биосинтеза. Но это еще не все странности. Белки оказывается состоят из так называемых «левых» аминокислот, то есть ассиметричных молекул, которые вращают поляризацию проходящего через них света влево. Это свойство, называемое хиральной чистотой, считается одним из фундаментальнейших характеристик живого (белки построены из левовращающих аминокислот, а нуклеиновые кислоты содержат правовращающие сахариды). Почему в клетках при строительстве белка используются такие левые аминокислоты — неизвестно. Между тем в результате этой «невинной шутки природы» перед желающими искусственно воспроизвести синтез белка встает неразрешимая задача: как химическими методами разделить смесь веществ, которые по определению химически идентичны!
В относительно примитивных клетках первичный синтез белков направляла РНК (она заметно проще по строению, намного короче и состоит из одной нити). Очевидно синтез необходимых белков, под управлением РНК, потребовал «разработки» кода, с помощью которого определяется последовательность аминокислот в белке. Сущность его состоит в следующем: каждой аминокислоте соответствует участок цепи РНК из трех рядом стоящих нуклеотидов (триплет). Генетический код до сих пор остается фактически одинаковым у всех клеточных организмов. Это ясно доказывает, что все современные их типы являются потомками одной «примитивной» линии клеток, «сумевших разработать» эффективный механизм синтеза белка. В клетке содержится и другое химическое вещество — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), используемое для накапливания энергии. Носителями энергии в организме являются белки, жиры и углеводы, но они не могут быть использованы непосредственно. Им требуется пройти длинный ряд превращений, чтобы в конечном итоге превратиться в углекислый газ и воду. Энергия, которая при этом выделятся, идет на синтез АТФ. Для процессов сокращения и расслабления мышц необходима энергия распада только этого химического вещества.
Разнообразные химические реакции, протекающие в компактных структурах, требуют источника энергии и эту энергию им дает Солнце. В процессе фотосинтеза углекислый газ и вода превращаются в органические соединения. Фотон, падая на молекулу хлорофилла, выбивает из нее один электрон, подобно тому как один бильярдный шар выбивает другой. Молекулы хлорофилла восстанавливают потерю электрона, отбирая его у молекулы воды и поглощая молекулу углекислого газа, синтезируют углеводы (сахара), выделяя при этом кислород. Анализ механизмов фотосинтеза у современных бактерий позволяет сделать вывод о том, что одним из первых источников электронов был сероводород, а конечным продуктом обмена (метаболическим отходом) была элементарная сера. Значительно позже развился куда более сложный, но жизненно необходимый для нас процесс «извлечения» электронов из воды. В результате, в качестве отхода в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Учитывая же высокую химическую активность кислорода и его достаточно сильную окислительную способность, можно сделать вывод, что для ранних форм жизни кислород был очень токсичен (как и для многих современных анаэробных бактерий). Однако, именно благодаря своей высокой реакционной способности, кислород способен выступать в роли «поставщика» химической энергии. Удивительно, что многие организмы стали в дальнейшем использовать это свойство.
С помощью кислорода живые существа способны более полно окислять молекулы пищи, например, в отсутствие кислорода глюкоза может быть расщеплена только до молочной кислоты или этилового спирта (брожение) — конечных продуктов анаэробного гликолиза. В присутствии же кислорода глюкоза полностью расщепляется до углекислого газа и воды. Таким способом можно получить значительно больше энергии из каждого грамма глюкозы (38 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы в первом случае и 2 молекулы АТФ — во втором). Связано это с тем, что при анаэробном дыхании значительная часть энергии остается «запертой» в этаноле или молочной кислоте. Энергия, заключенная в этаноле, так и остается для микроорганизмов навсегда недоступной и, следовательно, спиртовое брожение в смысле получения энергии — малоэффективный процесс. Из молочной же кислоты позднее может быть извлечено довольно большое количество энергии, если появится кислород. Энергия, высвобождаемая при аэробном окислении молекул пищи, называемом в обиходе — дыхание, в дальнейшем используется для синтеза АТФ, подобно тому, как у фотосинтезирующих организмов АТФ образуется за счет солнечной энергии. На сегодняшний день дыхание характерно для подавляющего большинства организмов планеты.
Экспансию многоклеточных предвосхитил сложный механизм взаимосвязи между одноклеточными и многоклеточными формами (образуются раздельные ярусы — местами обильный в богатых органикой водах планктон, использующий световую энергию, становится пищей для плавающих и донных организмов). Смена климата и обогащение кислородом атмосферы привели к тому, что эукариоты, включая многоклеточных животных, стали активно заселять планету, вытесняя при этом анаэробные сообщества. У самых простейших многоклеточных организмов нет специализации клеток. Все их клетки одинаковы по строению и функциям. Заметно более сложным колониальным организмом является обитатель мелководья — вольвокс (подвижный шар в диаметре до 3 миллиметров). Внутри он студенистый, а снаружи весь усеян жгутиконосцами (одноклеточными водорослями с двумя жгутиками, колебания которых приводят вольвокс в движение). Колония зеленых жгутиконосцев соединена между собой цитоплазматическими мостиками, на поверхности вольвокса их от 200 до 50 тысяч. Есть у соединившихся в единое целое жгутиконосцев и примитивные глаза — стигмы. На одном полюсе шара они развиты лучше, на другом хуже. Более «глазастым» полюсом вольвокс и плывет вперед. В колонии происходит сотрудничество, а добытые ресурсы распределяются между образующими ее организмами. Почти все составляющие эту сферическую колонию клетки, размножаться не способны (ни вегетативно, ни половым путем). Только около десятка самых крупных из них в нужное время плодятся, создавая дочерние колонии внутри шара. Отдельные исследователи полагают, что от сложноустроенных колониальных организмов, подобных вольвоксу, произошли настоящие многоклеточные растения и животные (образуют довольно многочисленную группу среди белковых организмов планеты, насчитывающую более 1,5 миллионов видов).
Большинство выделенных типов и классов — обитатели морей и океанской пучины. Гигантская биогеохимическая машина поставляет в атмосферу свободный кислород, необходимый для целого ряда сообществ организмов. Но в биосфере имеются две природные среды, обладающие свойством плодородия, — вода и почва (суммарная доля протоплазмы жителей суши значительно преобладает; это объясняется меньшей эффективностью фотосинтеза — 0,04% относительно 0,1%). В обоих средах минеральная основа сильно насыщена продуктами жизнедеятельности находящимся практически на всех стадиях распада, минерализации и восстановления (на суше корневая система растений погружена в почву, где та является как бы аналогом прежней среды). Особь и среда обитания находятся в неразрывной связи. Трудно даже представить их вне среды обитания, ведь эти достаточно сложные образования состоят в определенных взаимоотношениях с другими. Жизнь в океане получила свое полное развитие, когда отдельные переселенцы еще только выходили на сушу. Завоевание суши и материковых водоемов шло двумя путями — прямо из моря в воздушную среду через прибрежную, осушенную зону и водным путем — из морской воды в пресную. Таким образом создавались основные части биосферы: древняя праматерь жизни — океан, воздушная среда, пресные воды и, наконец, наземные почвы. Эти четыре области биосферы до крайности неоднородны и различны по своему объему (там возникает «эволюционный коридор» в котором и происходит дальнейшее развитие живых сообществ).
Строение ранних организмов позволяет раскрыть принципы организации живой материи с несколько иным типом биосистем (происходящая среди них эволюция обмена веществ не совершалась по одной прямой линии). Использование доступной энергии привело к формированию в той среде относительно более сложных механизмов органического мира. Картина рождения современного нам эпизода лучше всего иллюстрирует целенаправленное развитие жизни. Ведь множество из таких ранее преобладавших форм возникли до «кислородной среды», условия которой явно не появились спонтанно. Это был очень долгий и весьма кропотливый процесс, осуществленный организмами, существовавшими именно для этой цели…
|
